測距和定位系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明在實施例中涉及在無線電信道上傳輸信息的方法，并且特別地涉及基于啁 嗽（chirp )擴頻能夠以低功率消耗跨越長距離的無線傳輸方案。本發(fā)明的實施例同樣涉及 根據(jù)發(fā)明的傳輸方案適合于無線傳輸?shù)牡蛷碗s度的發(fā)射和接收設備。
【背景技術】
[0002] 數(shù)字無線數(shù)據(jù)傳輸被用于在數(shù)據(jù)速率、傳輸距離和功率消耗中都呈現(xiàn)巨大可變性 的各種系統(tǒng)。然而存在對結合長傳輸距離與低功率消耗并且能夠以簡單接收器和發(fā)射器來 實現(xiàn)的數(shù)字傳輸方案的需要。
[0003] 已知提供無線通信鏈路的端點之間的距離上的信息的許多系統(tǒng)?？梢砸美?GPS系統(tǒng)和基于發(fā)出直接調制擴頻信號的衛(wèi)星的所有類似定位系統(tǒng)。此類系統(tǒng)已經示出長 距離上的極好的測距精度，但是通常是非對稱的并且是計算密集的。然而，這些技術的限制 是相當高的接收器復雜度、對于弱信號可能是非常長的獲取時間、其功率消耗和在室內環(huán) 境中的操作困難。
[0004] 已知可能能夠提供高精度測距測量并且傳輸數(shù)據(jù)的UWB測距系統(tǒng)，但是只在受限 的距離上。
[0005] 已知在WiFi系統(tǒng)中提取位置信息。然而，WiFi測距不能提供準確的位置信息。 WiFi定位依靠監(jiān)聽接入點信標（beacon)并且使用接入點圖/數(shù)據(jù)庫。附加地可以使用 RSSI，但是飛行時間不是可用的。同樣，與GPS同樣地，接收器得到定位信息，而不是網(wǎng)絡。
[0006] US6940893描述基于在發(fā)出無線電啁嗽的主站（master)和從站（slave)之間的雙 交換的測距系統(tǒng)。該技術使用類似于UWB系統(tǒng)的快速脈沖啁嗽，并且由于非常大的帶寬而 難以擴展到長距離。距離計算基于測距信息的雙交換，用以補償在主站和從站中的時間參 考不精確同步的事實。這需要收發(fā)器中相當大的復雜度。同樣，因為距離估計顯式地在空 中傳輸，該技術本質上不安全。
[0007] 歐洲專利申請EP2449690描述使用數(shù)字合成啁嗽符號作為調制的通信系統(tǒng)以及 合適的基于FFT的接收器。
[0008] 本發(fā)明的目的是提出一種能夠以比本領域中已知系統(tǒng)更簡單和更少能量密集的 方式而估計更長距離上的無線鏈路的端點之間距離的系統(tǒng)。

【發(fā)明內容】

[0009] 根據(jù)本發(fā)明，通過所附權利要求的對象來實現(xiàn)這些目的。
【附圖說明】
[0010] 借助于通過示例所給出并且由附圖所圖示的實施例描述，本發(fā)明將被更好地理 解，其中： 圖1以示意性簡化方式示出根據(jù)本發(fā)明的一個方面的無線電調制解調器的結構。
[0011] 圖2a繪制根據(jù)本發(fā)明的一個方面的基礎啁嗽和經調制的啁嗽的瞬時頻率。相同 信號的相位被表示在圖2b中，并且圖2c在時域上繪制基礎啁嗽的實數(shù)和復數(shù)分量。
[0012] 圖3示意性地表示在本發(fā)明的測距方法期間在兩個設備之間被交換的數(shù)據(jù)幀的 結構。
[0013] 圖4a和4b圖示在本發(fā)明的測距過程中涉及的主和從設備之間的啁嗽的時間對 準，示出兩個可能的定時誤差和所涉及的未對準。
[0014] 圖5繪制根據(jù)本發(fā)明的一個方面的被用于估計距離的校正函數(shù)。
[0015] 圖6示意性地示出被用于本發(fā)明的可能的實施例中的步驟。
[0016] 圖7和8示意性地呈現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的定位系統(tǒng)。
[0017] 圖9示意性地圖示本發(fā)明的測距方法的被動變型中的數(shù)據(jù)交換。
[0018] 圖10是圖示圖9的交換中的信號的傳播的簡化時序圖。
[0019] 圖11示意性地圖示包括安全測距請求的數(shù)據(jù)幀的可能結構。
【具體實施方式】
[0020] 在本發(fā)明中所采用的啁嗽調制技術的若干方面在歐洲專利申請EP2449690中被 描述，所述歐洲專利申請EP2449690由此通過引用被合并，并且將在此處被概要地提醒。在 圖1中被示意性表示的無線電收發(fā)器是本發(fā)明的可能的實施例。所述收發(fā)器包括基帶部件 200和射頻部件100。集中在發(fā)射器部分上，基帶調制器150基于存在于其輸入處的數(shù)字數(shù) 據(jù)152而生成基帶信號，所述基帶信號的I和Q分量被RF部件100轉換至期望傳輸頻率、 被功率放大器120放大并且被天線傳輸。
[0021] 在不背離本發(fā)明的框架的情況下，所提出的架構允許若干變形和修改，并且被提 供作為非限制性示例。在可能的實施例中，極分量(振幅_和相位:#)而不是笛卡爾分量:# 和 <>，可以被合成。
[0022] 從基帶到所意圖的頻率的信號轉換在該示例中通過在混頻器110中將由放大器 154所提供的信號與由電路190所生成并且與參考時鐘129有關聯(lián)的本地載波的同相和正 交分量混頻而被完成。
[0023] -旦信號在無線電鏈路的另一端上被接收，則被圖1的收發(fā)器的接收部分處理， 所述接收部分包括隨后為下變頻級170的低噪聲放大器160,所述下變頻級170生成包括一 系列啁嗽的基帶信號，所述基帶信號然后由基帶解調器180所處理，所述基帶解調器180的 函數(shù)是調制器150的函數(shù)的逆并且提供重構的數(shù)字信號182。
[0024] 如在EP2449690中所討論的，調制器150合成包括一系列啁嗽的基帶信號，所述一 系列啁嗽的頻率沿預定時間間隔從初始瞬時值Z8改變至最終瞬時頻率/i。為了簡化描述， 將假定所有啁嗽具有相同的持續(xù)時間Γ，盡管這對于本發(fā)明不是絕對的要求。
[0025] 在基帶信號中的啁嗽可以由其瞬時頻率的時間分布/〇或也可以由將信號的相 位定義為時間的函數(shù)的函數(shù)參描述。重要地，調制器150能夠生成具有多個不同分布 的啁嗽，每個對應于預定調制符號集（alphabet)中的符號。
[0026] 根據(jù)本發(fā)明的重要特征，調制器150可以生成具有特定和預定義頻率分布的基礎 啁嗽(在下文也被稱為未經調制的啁嗽）或出自通過對基礎頻率分布進行循環(huán)時間移位而 從基礎啁嗽所得到的一組可能的經調制的啁嗽中的一個。圖2a通過示例的方式圖示在啁 嗽的開始處的時刻f = 和在所述啁嗽的結束處的時刻_舞之間的基礎啁嗽和一個 經調制的啁嗽的可能的頻率和相位分布，而圖2b示出時域上對應的基帶信號。水平尺度對 應于例如符號并且雖然曲線被表示為連續(xù)的，其在具體實現(xiàn)方式中將由有限數(shù)目的離散樣 本所表示。關于垂直尺度，其被規(guī)范化至所意圖的帶寬或至對應的相位跨度。特別地，為了 更好地示出其連續(xù)性，所述相位在圖2b中被表示為好像其是無界變量，但是其在具體實現(xiàn) 方式中事實上可以跨越若干轉數(shù)（revolution)。
[0027] 在所描繪的示例中，基礎啁嗽的頻率從初始值&= ·、、、SHV2線性增大到最終值 A ··- #Η·72:，其中::g厥代表帶寬擴展量，但是下降的啁嗽或其它啁嗽分布也是可能的。因 而，以啁嗽的形式對信息進行編碼，所述啁嗽具有出自相對于預定基礎啁嗽的多個可能的 循環(huán)移位中之一，每個循環(huán)移位對應于可能的調制符號。
[0028] 圖2c是在時域中對應于基礎啁嗽的基帶信號的實數(shù)和虛數(shù)分量I和Q的曲線圖。
[0029] 優(yōu)選地，調制器也被布置以合成共輒啁嗽并且在信號中插入共輒啁嗽，所述共輒 啁嗽是基礎未經調制的啁嗽的復共輒的啁嗽?？梢詫⑦@些看作降頻啁嗽（down-chirp)，其 中頻率從+權W /2的值下降至。
[0030] 優(yōu)選地，啁嗽的相位由連續(xù)函數(shù)::||i描述，所述連續(xù)函數(shù)在啁嗽的開始處 和結束處具有相同的值：讀。由于如此，信號的相位跨越符號邊界是連續(xù)的，這 是在下文將被稱作符號間相位連續(xù)性的特征。在圖2a中所示出的示例中，函數(shù)f IX)是對 稱的，并且信號具有符號間相位連續(xù)性。如由EP2449690更詳細解釋的，上述信號結構允許 接收器中的解調器單元180將其時間參考與發(fā)射器的時間參考對準，并且確定被賦予每個 啁嗽的循環(huán)移位量。評估所接收的啁嗽相對于本地時間參考的時間移位的操作在下文可以 被稱作"去啁嗽（dechirp)"，并且能夠通過將所接收的啁嗽與本地生成的基礎啁嗽的復共 輒相乘并且執(zhí)行FFT而被有利地實現(xiàn)。FFT的最大值的位置指示移位并且指示調制值。
[0031] 因而，"循環(huán)移位值"在下文可以被用于在時域上指示調制，并且"調制位置"或"峰 值位置"在頻域上表示它。
[0032] 我們將:?記為符號的長度或等價地記為擴頻因子。為了允許使用FFT的容易 接收，Jt優(yōu)選地被選擇為是2的冪。奈奎斯特采樣頻率如果是則符號的長度是 iV/茲MZ。但在不將本發(fā)明限制于這些特定數(shù)值的情況下，為確定所述想法，在可能的應 用中可以認為::L是1MHz，并且：If等于1024、512或256。載波頻率可以在2. 45GHz ISM 帶中。在該特定實施例中，本發(fā)明的調制方案可以與Bluetooth?收發(fā)器占用相同的RF帶 并且可能重用或共享Bluetooth?收發(fā)器的RF部分。
[0033] 因此，經調制的符號是在0和N-I之間的任何數(shù)目的基礎符號循環(huán)移位。0調制值 等價于不存在調制。因為N是二的冪，循環(huán)移位的值可以被編碼在Igg2J!個比特上。
[0034] 優(yōu)選地，通過本發(fā)明所發(fā)射和接收的信號被組織在包括被合適編碼的前導碼 (preamble)和數(shù)據(jù)段的幀中。所述前導碼和數(shù)據(jù)段包括經調制和/或未經調制的一系列啁 嗽，其允許接收器將其時間參考與發(fā)射器的時間參考時間對準、檢索信息、執(zhí)行動作或運行 命令。在本發(fā)明的幀中，對于數(shù)據(jù)幀來說多種結構是可能的，除其他外還依賴于信道條件、 所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或命令。優(yōu)選地，所述幀包括前導碼以及表達所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)或命令的有效負 載，所述前導碼的目的是允許在發(fā)射器和接收器之間在時間和頻率上的同步。
[0035] 根據(jù)本發(fā)明的方面，發(fā)射器和接收器節(jié)點優(yōu)選地具有通信模式和/或測距模式， 所述通信模式